Stochastic models of reaction networks are widely used to capture intrinsic noise in complex systems in the life sciences. Typical formulations of these models are based on Markov processes for which there is extensive research on efficient simulation and inference. However, there are complex processes in biology, such as gene transcription and translation, that introduce history dependent dynamics requiring non-Markovian processes to accurately capture the stochastic dynamics of the system. This greater realism comes with additional computational challenges for simulation and parameter inference. We develop efficient stochastic simulation algorithms for well-mixed non-Markovian stochastic reaction networks with stochastic delays that depend on system state and time. Our methods generalize the next reaction method and $τ$-leaping method to support arbitrary inter-event time distributions while preserving computational scalability. We also introduce a coupling scheme to generate exact non-Markovian sample paths that are positively correlated to an approximate non-Markovian $τ$-leaping sample path. This enables substantial computational gains for simulation and Bayesian inference through multilevel Monte Carlo and multifidelity schemes. We demonstrate the effectiveness of our approach using several non-Markovian examples, showing substantial gains in both simulation accuracy and inference efficiency. These results extend the practical applicability of non-Markovian models in systems biology and beyond.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
57+阅读 · 2021年1月26日
论文浅尝 | GMNN: Graph Markov Neural Networks
开放知识图谱
20+阅读 · 2020年2月14日
Network Embedding 指南
专知
22+阅读 · 2018年8月13日
Github 项目推荐 | 用 Pytorch 实现的 Capsule Network
AI研习社
22+阅读 · 2018年3月7日
【AAAI专题】论文分享:以生物可塑性为核心的类脑脉冲神经网络
中国科学院自动化研究所
15+阅读 · 2018年1月23日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 8月18日
VIP会员
相关主题
最新内容
现代电磁战:集成式系统簇时代如何实现频谱优势
综述|谁来改进机器人?迈向物理递归自我改进
专知会员服务
0+阅读 · 今天14:47
软件定义无人机蜂群给防空带来全新压力
专知会员服务
9+阅读 · 10月13日
《半自主无人地面战车的互操作性》66页
专知会员服务
9+阅读 · 10月13日
迈向更智慧的军事情报
专知会员服务
9+阅读 · 10月12日
《美国陆军2026年野战手册 2-0 情报》
专知会员服务
8+阅读 · 10月12日
《基于启发式算法求解武器-目标分配问题》
专知会员服务
9+阅读 · 10月12日
相关VIP内容
专知会员服务
57+阅读 · 2021年1月26日
相关基金
国家自然科学基金
6+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员